Магнитооптический датчик для измерения напряженности магнитного поля

во делам изобретений и открытий(72) Авторы изобретения Ф. В. Лисовский и Е, Г. Мансветова Ордена Трудового Красного Знамени институт радиотехники и электротпги АН СССР(54) МАГНИТООПТИЧЕСКИЙ ДАТЧИК ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ НАПРЯКЕННОСТИ МАГНИТНОГО ПОЛЯ Изобретение относится к измерительной технике и может использоваться для измерения, контроля и стабилизации магнитного поля, например в ускорителях элементарных частиц и плазмен 5 ных приборах.Ревестек мвтиитоодтический датчик Л для измерения напряженности магнитного поля, использующий фазовый метод регистрации угла поворота плоскости поляризации, в котором относительная потрешность измерения равна Ои 1-Ой 01 йоОднако этот датчик требует довольно сложной конструкции устройства регистрации угла поворота плоскости поляризации.Известен такжемагнитооптический датчик для измерения напряженности магнитного поля, использующий эффект поворота плоскости поляризации света в магнитооптически активной среде, состояший из магнитооптического активного элемента, размешенного между поляризатором и анализатором и выполненного в виде однородного магнитного кристалла 2или пленки 121. Однако измерение напряженности магнитного поля этим датчиком сводится к регистрации угла поворота плоскости поляризации, в связи с чем этот магнитооптический датчик обладает малой точностью измерения, порядка 1%. ПелЬ изобретения - повиышение точности и расширение диапазона измерения. Это достигается тем, что магнитооптический датчик для измерения напряженности магнитного полясодержаший магнитооптический активный элемент, размещенный между оптическими поляризатором и анализатором, снабжен шкалой отсчета и подложкой, на которой размещен магнитооптический активный элемент, при этом магнитооптический активный элемент выполнен в виде двухслойной магнитной пленки с различньРми средними температурами магнитной компенсации в слоях и с монотонным изменением результируюшей намагниченности в каждом слое, а10 15 40 1 1 2 2НА С 21 лизатора, .На фиг. 1 представлена конструкцияданного магнитооптического дат щка дпяизмерения напряженности магнитногополя, на фиг, 2 - распределение результирующей намагниченности в каждомслое, на фиг. 3 - зависимость ущиренной" границы в магнитооптическом активном элементе между двумя намагниченными в, противоположных направлениях областями от напряженности измеряемого магнитного поля,Этот датчик содержит магнитооптический активный элемент 1 в виде двухслойной магнитной пленки, выращеннойна подложке 2, например, методом жидкофазной эпитаксии, Различие свойствслоев магнитооптического активного элемента 1 достигается соответствующимизменением режимных параметров (например, температуры роста или скоростивращения подложки 2) в процессе выращивания. Монотонное изменение свойствв развитой плоскости пленки обеспечивается, например, созданием градиентатемпературы в зоне роста.Магнитооптический активный элемент1 в виде двухслойной магнитной пленки,выращенной на подложке 2, образует споследней единое монолитное целое. Со стороны подложки 2 располагается оптический поляризатор 3, а со стороны магнитооптического активного элемента 1 - оптический анализатор 4, выполненный, например, из дихроичной поляроидной пленки. Для крепления оптического поляризатора 3 и оптического анализаторр 4 применяется. любой пригодный для . склеивания твердых тел клей. Поверх оптического анализатора 4 с помощью клея крепится прозрачная шкала 5, отградуированная либо непосредственно в эрстедах:(тесла), либо равномерная децимальная шкала, отградуированная с помощью эталона,Плоскости пропускания оптического поляризатора 3 и оптического анализа тора 4 перед приклейкой последних ориентируют друг относительно друга таким образом, чтобы в отсутствие магнитного поля две противоположно намагниченные области двухслойной пленки были одинаково затемненными, Граница между ними будет выглядеть как тонкая светлая линия па шкале Г датчика заключается в следующем,В отсутствие измеряемого магнитногополя в магнитооптическом активном элементе 1 существуют две намагниченныев противоположных направлениях областис четкой границей между ними.При помещении датчика в измеряемое .магнитное поле граница между этимиобластями фуширяется", причем ширинаграницы однозначно связана с напряженностью магнитного поля Н, Отсчет напряженности магнитного поля производитсяс помощью предварительно отградуированной прозрачной шкалы 5, Роль указателейпрозрачной шкалы 5 выполняют два края"уширенной" границы, которая видна (напросвет) благодаря использованию оптического поляризатора 3 и оптическогоанализатора 4 при освещении искуственным или дневным светом,В обоих слоях магнитооптического активного элемента 1 непосредственно впроцессе выращивания или с помощьюпоследующего легирования создается монотонйое изменение результирующей намагниченности в развитой плоскостипленки, причем при рабочей температуреоба слоя обладают различными точкамикомпенсации, в которых результирующаянамагниченность каждого слоя обращается в ноль,В отсутствие магнитного поля в такой двухслойной пленке реализуется плоская доменная граница (фиг. 2 а, линия АВ). На этом же рисунке показано распределение результирующей намагниченности в каждом слое.При увеличении магнитного поля существование участков, в которых вектор намагниченности М антипараллелен полю Н ( заштрихованные области на фиг. 2 а и 26), становится энергетически невыгодным и при достижении некоторого критического значения поля Н, происходит излом плоской доменной границы на поверхности раздела между слоями, в результате чего доменнаяграница принимает вид ступеньки (фиг. 26, СДЕГ). Ширина этой ступеньки ЬХ зависит от разности между измеряемым внешним полем Н и критическим полем ННапряженность критического поля равна:711507 5а напряженность измеряемого поля определяется по формуле: И=Ид1 Р б-ЬХ (2),где 7 - плотность энергии доменной границы между слоямид=(ИМ., (дх(и 4 =(ЙМ 4 К( - градиент распределениянамагниченности в 1-м и 2-м слоях,,1 и 82 - толщина слоев, Д - расстояние между плоскостями. для которыхМ,1 = О в первом слое и М = О во вто 2ром слое (фиг. 2).Как следует из формулы (2), зависимость и (ЬХ) имеет вид, показакныйна фиг, 3. Эта завиимость и используется для измерения напряженности магнитного поля,Из формулы (2) следует, что связьмежду Н и ЬХ носит нелинейный характер. Однако, при Й)ЬХ зависимость Н(АХ)линеаризуется и приобретает вид; 6Требования к термостабили.яции датчика зависят от температурных коэффициентов намагниченности в слоях, гэ также от поперечных размеров и параметров пленки. Так как смещение обеих границ "ушпреююй" области дх при изменении температуры на величину сГТ для ц -О 2 - с 1 описьвается формулой: где ф - температурный коэффициентнамагниченности, то ширина уширеннойграницы РХ не зависит от температуры,15 так что датчик сохраняет свою работоспособность до тех пор, пока во всемдиапазоне измеряемых магнитных полей"ущиренная граница не выходит за пределы визуально наблюдаемого участка2 О пленки,Формула и з о б р е т е н и я25Магнитооптический датчик для измерения напряженности магнитного поля, содержащий магнитооптический активный элемент, размещенный между оптическими поляризатором и анализатором, о тл и ч а ю ш и й с я тем, что, с целью повышения точности и расширения диапазона измерения, он снабжен шкалой отсчета и подложкой, на которой размещен магнитооптический активный элемент, при 35этом магнитооптический активный элемент выполнен в виде двухслойной маг- нитной пленки с различными средними температурами магнитной компенсации в слоях и с монотонным изменением 40результирующей намагниченности в каждом слое, а шкала отсчета установлена поверх аналижтора. В этом случае для измерения напряженности магнитного поля можно пользоваться линейной шкалой.Диапазон измеряемых магнитных полей определяется значениями 6, О 4 д ф И 1, Ь.г, д . С помощьюданного магнитооптического датчика,используя существующие в настоящеевремя материалы (например, ферритыгранаты), можно измерять магнитныеполя в интервале от 10 до 10 эрстед. Снизу этот интервал ограничивается поперечными размерами и толщиной пленки, а также градиентом распределениянамагниченности в слоях, Верхняя граница измеряемых полей определяется из условия недопустимости перехода ферри- магнетика в неколлинеарное состояние, необходимое для этого поле по порядку45 величин равно среднему геометрическому обменного поля и поля анизотропии ( 10 эрстед) .Точность измерения напряженности магнитного поля определяется точностью измерения ширины "уширенной области аХ и может быть сделана весьма высокой за счет использования методов оптической микроскопии. Источники информации,принятые во внимание при экспертизе